TERMODINÁMICA APLICADA

1. UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MÉXICO
FACULDAD DE INGENIERIA
Legazpi Ascencio Axhel

2. PSICROMETRIA
Parte de la Termodinámica que estudia una mezcla de gases
ideales con un vapor condensable.
- Se considera un vapor a un gas que se encuentra por debajo de su
temperatura critica, es decir un gas que se encuentra cerca de la
zona de saturación.
- Se considera Gas aquella sustancia que se encuentra a una
temperatura superior que su temperatura critica.
* Estudiaremos el aire atmosférico que contiene una mezcla de
gases ideales y vapor de agua.
SIMPLIFICACIONES
- La fase gaseosa se considera una mezcla de gases ideales.
- La fase líquida no contiene gases disueltos.
- El estado de equilibrio entre el vapor y su fase condensada no se
altera por la presencia de otras sustancias.

3. Aire Seco: Esta compuesto por una mezcla de gases que se
pueden considerar que se comportan como gases ideales, y no
contiene vapor de agua.
Aire Atmosférico: Considera que la mezcla de gases ideales contiene
vapor de agua.
* La base de cálculo es la masa de aire seco.
* La composición del aire atmosférico permanece relativa constante
pero varia la cantidad de vapor de agua debido a la condensación y
evaporación de océanos, lagos, ríos.
* La cantidad de vapor de agua dentro del aire es muy pequeña pero
desempeña un papel importante en el confort.

4. P = Pa + Pv
Pa = Presión parcial del aire seco.
Pv = Presión parcial del vapor de agua, es la presión que
ejercería el vapor de agua si existiera solo y estuviera a la
temperatura y volumen de la mezcla.
hv = Entalpía del vapor de agua evaluada a la temperatura de
la mezcla.
Tmezcla = Temperatura ambiente.

5. HUMEDAD ESPECIFICA ω
Representa la masa de vapor de agua presente en una masa
unitaria de aire seco.
v
a
m
m
 
Si consideramos el vapor y el aire como gases ideales
u
a v
v a
v a
v a
v
v v a v v v v
a a v a a a v
a
R
PV mRT R
M
M 28.94 M 18
P V P V
m m
R T R T
P V
R T P R P M P P
0.622 0.622
P V P R P M P P P
R T
 
 
 
     

ω = 0 Aire Seco.

6. HUMEDAD RELATIVA Φ
Relación entre la fracción molar de vapor presente en la mezcla y
la fracción molar del vapor si la mezcla estuviera saturada.
m m
v
vi m
g g gMezcla saturada T T
m
P
PY P
Y P P
P
   
Además se debe cumplir la ecuación de
los gases ideales, considerando que T, P,
R son iguales.
m
m
g T v
v g T
v
v
(aire seco) 0 1 (aire saturado)

  

  
T
s
Tamb
1
2
P1
P2
amb
amb
amb
v T1
2 sat T
g sat T
PP
P P
P P
  


7. Entalpía del vapor (hv)
hv = h @ Tamb y Pv
Donde:
Pv = Psat @Tamb Φ
Pero en los problemas con aire atmosférico, debido a la baja
presión del vapor de agua presente en la atmósfera, se puede
hacer la siguiente aproximación.
hv ≈ hg@Tmezcla
T
s
Tamb
1
2
P1
P2
amb
amb
amb
v T1
2 sat T
g sat T
PP
P P
P P
  


8. RELACION ENTRE HUMEDAD ESPECIFICA (ω) Y HUMEDAD
RELATIVA (Φ)
v v
a g
g g
a v
P P
0.622
P P
Combinando ambas ecuaciones
P P
0.622 0.622
P P P
   
    

- La humedad relativa cambia con la temperatura, pero la humedad
especifica se mantiene constante.
- La humedad especifica es la cantidad real de vapor contenida en
una unidad másica de aire seco.
- La humedad relativa es la proporción entre la cantidad real de
humedad en el aire y la máxima cantidad de humedad que puede
contener el aire a esa temperatura.

9. TEMPERATURA DE BULBO SECO (Tbs)
Es la temperatura medida con un termómetro ordinario, la
temperatura del aire atmosférico se conoce como temperatura de
bulbo seco.
TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO (Tbh)
Es la temperatura medida con un termómetro que tiene el bulbo
envuelto en una mecha húmeda.
Si el aire esta saturado (Φ=1) Tbs = Tbh
En el ambiente Tbs > Tbh

10. PSICROMETRO.
Aparato que cuenta con un termómetro normal y uno de bulbo
húmedo, en un espacio determinado, y así poder determinar el
comportamiento de la mezclas de aire húmedo.

11. TEPERATURA DE PUNTO ROCIO (Tpr)
Es la temperatura a la cual se inicia la condensación si el aire se
enfría a presión constante, es decir es la temperatura de
saturación del agua a la presión parcial del vapor.
T
s
T1
Pv
Tpr
1
2
v
pr sat P
T T
Si la temperatura desciende por
debajo de T2 algo de vapor de
agua se condensa, la cantidad de
vapor en el aire disminuye lo que
produce una disminución de Pv

12. Determinación de la humedad especifica y relativa
La determinación directa es difícil por tanto se relacionan con
cantidades fáciles de medir como P y T
Determino Tpr enfriando agua en una copa metalica
cuando empieze a haber condensación en su superficie
esa es la Tpr con ella busco en las tablas de vapor Pv
Conociendo Pv y Pg = Psat @ Tamb
Finalmente hallo Φ = Pv / Pg y ω = f(Φ, Pv, Pa)

13. PROCESO DE SATURACION ADIABATICA
ω1 = ?
T2 = Temperatura de saturación adiabática.
- El agua de reemplazo entra al canal a la misma relación de
saturación y a T2
- El proceso de saturación adiabática puede analizarse como un
proceso de FEEE con 2 entradas y una salida.
Q = 0 W = 0 EC = 0 EP = 0

14. PROCESO DE SATURACION ADIABATICA
ω1 = ?
APLICANDO CONTINUIDAD
a1 a2
v1 f 2 v2
AIRE m m m
AGUA m m m
  
  
 
 
APLICANDO CONSERVACION DE LA ENERGIA
a1 v1 f 2 a2 v2a1 v1 f 2 a2 v2
v
a
a
p0 2 1 2 v2 f 2a2 a1 2 v2 f 2
1
v1 f 2 v1 f 2
m h m h m h m h m h
m
Dividiendo entre m y considerandoque
m
C (T T ) (h h )(h h ) (h h )
h h h h
    

   
 
      
  
 
hv2 = hg @ T2
hv1 = hg @ T1
hf2 = hf @ T2
T2 = Temperatura de saturación adiabática = Tbh (caso especial de
mezcla aire – agua – vapor saturado)

15. CARTA PSICROMETRICA
- El estado del aire atmosférico se puede definir por completo mediante dos
propiedades intensivas e independientes.
- Manteniendo la presión de la mezcla constante se pueden construir curvas
que representan los procesos en los cuales la temperatura, humedad
especifica y relativa permanecen constante.
- Se puede construir un diagrama que represente el comportamiento del aire
atmosférico.
ω
Tbs

16. PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
CALENTAMIENTOENFRIAMIENTO
DESHUMIDIFICACIÓN
HUMIDIFICACION
CALENTAMIENTO Y
HUMIDIFICACION
ENFRIAMIENTO Y
DESHUMIDIFICACION
- En el invierno el aire se calienta y humidifica.
- En el verano se enfría y deshumidifica.

17. CALENTAMIENTO SIMPLE
ω
Tbs
Se incrementa Tbs mediante una bomba de calor, resistencia eléctrica o
un serpentín de calentamiento. Es un proceso a presión constante
Serpentín de
Calentamiento
QT1 ω1 Φ1 T2 > T1
1 2
Φ2 < Φ1ω1 = ω2
Si la humedad relativa es
muy baja puede causar
resequedad en la piel y
dificultad para respirar.
Se debe humidificar.

18. ENFRIAMIENTO SIMPLE
ω
Tbs
Disminuye Tbs mediante el enfriamiento obtenido por un serpentín por el
cual fluye un refrigerante o agua fría. Es un proceso a presión constante
Serpentín de
Enfriamiento
QT1 ω1 Φ1 T2 < T1
12
Φ2 > Φ1ω1 = ω2
Si la humedad relativa es
muy alta, se debe
deshumidificar.

19. ENFRIAMIENTO CON DESHUMIDIFICACION
Se enfría el aire a ω constante, hasta la saturación (Tpr), parte del agua se
condensa y su ω disminuye así como la Tbs
Serpentín de
Enfriamiento
QT1 ω1 Φ1 T1 < T3
1
2
Φ1 < Φ3ω1 > ω3
ω
Tbs
3

20. ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO
Se atomiza agua en el aire, aumenta Φ, ω y disminuye la Tbs , si no existe intercambio de
calor con el exterior el proceso es equivalente al de saturación adiabática por tanto se
realiza a Tbh constante, ya que Tbh = Tsat. adiab
T1 ω1 Φ1 T1 > T2
1
2
Φ2 > Φ1ω2 > ω1
-
ω
Tbs
- Se implementa en climas
desérticos para reducir costos
de refrigeración.
- El enfriamiento se basa en el
principio de que cuando se
evapora agua, el calor latente
de evaporación se absorbe del
cuerpo del agua y del aire
circundante.
- El proceso es a Tbh = Cte
Este no seria el caso si el agua
se atomizada a una
temperatura diferente a la de
salida del aire.
Humidificador

21. CALENTAMIENTO CON HUMIDIFICACION
Se calienta el aire a ω constante, luego se atomiza agua o vapor en la
corriente de aire.
Serpentín de
Calentamiento
QT1 ω1 Φ1 T1 < T3
1 2
Φ1 > Φ3ω1 < ω3
-Si se introduce vapor en la sección
de humidificación produce una
razonable humidificación con
calentamiento adicional.
- Si la humidificación se realiza
rociando agua en la corriente de
aire, parte del calor latente de
vaporización producirá enfriamiento
en la corriente de aire, en este caso
el aire se debe calentar mas en la
sección de calentamiento para
compensar el enfriamiento en la
sección de humidificación.
Humidificador
ω
Tbs
3

22. CALENTAMIENTO CON DESHUMIDIFICACION
ω
Tbs
El aire se enfría hasta la saturación en un proceso a ω, si se sigue enfriando
se produce condensación, luego se aumenta la temperatura hasta la
deseada.
Serpentín de
Enfriamiento
QT1 ω1 Φ1 T1 < T4
12
Φ1 > Φ4ω1 > ω4
Los procesos pueden
combinarse entre si,
dependiendo de los
requerimientos.
Serpentín de
Calentamiento
Q
3
4

23. - Son intercambiadores de calor de contacto directo.
- Se utilizan para enfriar grandes caudales de agua, pero los
cambios de temperatura que se pueden obtener son
relativamente pequeños.
- Utilizan la posibilidad que tiene el aire de absorber humedad
cuando se pone en contacto con el agua que se desea enfriar, de
manera que como el agua requiere energía para evaporarse y no
la puede tomar del aire ya que Taire < Tagua , por tanto toma energía
de la misma agua que permanece líquida, esto trae como
consecuencia el enfriamiento del agua.
- El máximo enfriamiento que se puede obtener es hasta alcanzar
la saturación del aire.
- Como existe evaporación debe reponerse el agua perdida

24. Estanque de Enfriamiento.
Se atomiza el agua para enfriarla, presenta
grandes perdidas por el arrastre del agua.
Requiere de 20 a 25 veces el área de una
torre de enfriamiento
Hiperbólicas.
Operan utilizando el efecto de tiro natural, suelen
tener grandes alturas, el objetivo del perfil es
darle mayor resistencia estructural y no por
alguna razón termodinámica.
De tiro Forzado o Inducido.
Utilizan ventiladores para obtener la circulación
adecuada del aire, son de menores alturas

25. ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
2 2
1
3
4
BALANCE DE ENERGIA
se e sQ m h W m h
   
   
Si no hay Calor ni Trabajo
CONTINUIDAD
a2 a3
v2 ev v3 ev v3 v2
f1 f 4 ev f 4 f1 ev
ev
m m
m m m m m m
m m m m m m
m Masa de vapor que se evapora en la torre
 
     
     


   
   

Combinando ambas ecuaciones
f1 v2 a2 a3 v3 f 4f1 v2 a2 a3 v3 f 4m h m h m h m h m h m h
     
    

26. -No se emplean intercambiadores de calor ya que serian muy
ineficientes debido a las pequeñas diferencias de temperatura y
baja conductividad del aire, se recurre al enfriamiento por
evaporación del agua.
- El T del agua de enfriamiento no debe ser mayor de 10 a 15°C
- La circulación del aire puede ser por tiro natural, forzado o
inducido.
- El uso de tiro natural implica mayores costos de instalación, ya
que se requieren torres muy altas, algunas veces llegan a 100
metros de altura.
- La eficiencia se mide como el enfriamiento del agua
conseguido en relación con el que se podría haber conseguido si
el aire y el agua salieran en equilibrio. (aire saturado de
humedad y agua a la misma temperatura)